Пластмассы, не подходящие для обработки на станках с ЧПУ.

Не все пластмассы могут быть надежно или экономично обработаны с помощью фрезерования, токарной обработки, сверления или фрезерования на станках с ЧПУ. Некоторые полимеры чрезмерно плавятся, рвутся, деформируются, растрескиваются или подвергаются химической деградации в условиях резки, что делает их непригодными или лишь частично пригодными для обработки на станках с ЧПУ. В этом руководстве представлен систематический обзор пластмасс, которые, как правило, не рекомендуются для обработки на станках с ЧПУ, их основных ограничений, распространенных проблем в реальном производстве и практических альтернатив.

Почему некоторые виды пластмасс плохо подходят для обработки на станках с ЧПУ

Обработка на станках с ЧПУ создает концентрированные механические и термические нагрузки на заготовку. Пластмассы с неблагоприятным сочетанием температуры плавления, температуры стеклования, твердости, ударной вязкости, теплопроводности и химической стабильности могут плохо реагировать на такие воздействия. Типичные виды разрушения включают размягчение и размазывание вместо резки, плавление и повторное затвердевание, сколы по кромкам, растрескивание под напряжением и нестабильность размеров.

Основные причины, связанные с материалами пластик К числу неподходящих могут относиться:

• Низкая термостойкость приводит к плавлению или сильному размягчению при температурах резки.
• Чрезмерная эластичность или мягкость приводят к деформации деталей, несоответствию допускам и разрывам поверхности.
• Высокая хрупкость или стекловидное поведение, вызывающее растрескивание и сколы под нагрузкой инструмента.
• Очень низкая температура стеклования, вызывающая ползучесть и релаксацию в процессе обработки.
• Высокий коэффициент теплового расширения и низкая жесткость приводят к деформации и короблению по мере нагревания.
• Химическая чувствительность к охлаждающим жидкостям, смазочным материалам или влажности окружающей среды.

Многие из этих факторов взаимодействуют: например, мягкий и термочувствительный пластик будет отклоняться от инструмента, одновременно размазываясь и плавясь на поверхности, что делает точную обработку на станках с ЧПУ нецелесообразной.

Типичные требования к обработке пластмасс на станках с ЧПУ.

Понимание базовых требований к механической обработке объясняет, почему некоторые виды пластмасс выходят из строя на практике. ЧПУ Обработка пластмасс предполагает, что материал Обладает достаточной стабильностью размеров и структурной целостностью при резке на определенных скоростях вращения шпинделя, скоростях подачи и глубине резания. Важные физические и механические свойства включают:

• Температура стеклования (Tg) и температура плавления (Tm)
• Модуль упругости и модуль изгиба
• Температура тепловой деформации (HDT)
• Коэффициент теплового расширения
• Твердость и ударная прочность
• Теплопроводность

Пластмассы, свойства которых значительно выходят за пределы практических диапазонов (например, очень низкая температура стеклования в сочетании с низким модулем упругости), по своей природе трудно закреплять, резать и удерживать с требуемыми допусками. Сильно анизотропные или сильно вспененные материалы еще больше усложняют зацепление инструмента, образование стружки и качество поверхности, часто приводя к... Техническая обработка на станках с ЧПУ Это осуществимо только при экстремальных ограничениях или не осуществимо вообще.

Аморфные и низкотемпературные пластмассы, которые деформируются и размазываются.

Аморфные пластмассы и низкотемпературные термопласты с очень низкими температурами размягчения часто образуют не чистую стружку, а смазывание. Типичные проблемы включают в себя сильные заусенцы, расплавленные кромки, смещение размеров и неравномерную чистоту поверхности, особенно при нагреве инструмента во время длительной резки. Ниже приведены распространенные примеры.

Виниловые и гибкие ПВХ-компаунды

Мягкие или гибкие составы ПВХ (поливинилхлорида), используемые для оболочек кабелей, мягких трубок, прокладок и аналогичных изделий, обычно представляют собой неподходящий для обработки на станках с ЧПУ в виде цельных блоков. Хотя жесткие листы и стержни ПВХ можно обрабатывать с заданными параметрами, пластифицированные марки ПВХ имеют ряд ограничений:

Типичные характеристики (диапазоны приблизительны и зависят от состава):

Типичные проблемы, возникающие при механической обработке, включают:

• Упругое восстановление: материал возвращается в исходное положение после прохождения инструмента, устраняя острые края.
• Вместо резки происходит размазывание: края волочатся и рвутся, а не аккуратно срезаются.
• Загрязнение инструмента: размягченный материал прилипает к режущим кромкам, усугубляя перегрев.
• Трудности с зажимом: заготовка сжимается в зажиме, вызывая деформацию при освобождении.

Для деталей из мягкого ПВХ экструзия, формование или вырубка более практичны, чем обработка на станках с ЧПУ из цельного материала.

Полиэтилен низкой плотности и линейный полиэтилен низкой плотности (ПНД, ЛПНД)

Полиэтилен существует в нескольких формах; некоторые из них хорошо поддаются механической обработке, другие — нет. Полиэтилен низкой плотности (LDPE) и полиэтилен низшей плотности (LLDPE) имеют более низкий модуль упругости и более низкую температуру размягчения, чем полиэтилен высокой плотности (HDPE), что приводит к плохим характеристикам при механической обработке.

Общие характеристики:

• Низкая твердость, воскообразная поверхность на ощупь
• Очень низкое трение и высокая пластичность
• Низкая температура плавления (Tm обычно составляет около 110–125 °C)
• Низкая температура деформации при нагреве

При обработке на станках с ЧПУ полиэтилен низкой плотности (LDPE) и линейно-полиэтилен низкой плотности (LLDPE) часто проявляют следующие свойства:

Признаками проблемы являются размазывание и образование нитей, а не стружки, нестабильность размеров тонких элементов, быстрое повышение температуры и локальное плавление, а также трудности с достижением жестких допусков или тонкой детализации поверхности. Хотя очень простые элементы в толстых сечениях иногда можно обрабатывать очень острыми инструментами и консервативными параметрами, полиэтилен низкой плотности (LDPE) и липополиэтилен низкой плотности (LLDPE) обычно считаются неподходящими материалами для прецизионной обработки на станках с ЧПУ.

Термопластичные эластомеры (TPE, TPU, TPR, смеси SEBS)

Термопластичные эластомеры сочетают в себе эластичность, подобную резине, с термопластичными процессами обработки. Многие марки ТПЭ, ТПУ (термопластичного полиуретана), ТПР и компаундов на основе СЭБС непригодны для обработки на станках с ЧПУ в виде сплошных стержней или блоков по следующим причинам:

• Чрезвычайно низкий модуль упругости и высокое относительное удлинение при разрыве (часто >300%).
• Выраженное упругое восстановление и деформация под действием сил резания.
• Размазывание, разрывы и неравномерное удаление материала с поверхности.

К типичным результатам механической обработки относятся нестабильные размеры, плохая четкость кромок, шероховатые или «рваные» поверхности, особенно на просверленных отверстиях, а также трудности при сверлении и нарезании резьбы из-за сжатия эластомера за инструментом. В большинстве инженерных задач такие материалы обрабатываются методом литья под давлением, экструзии или штамповки, а не на станках с ЧПУ из заготовки.

Высокопластичные, низкожесткие пластмассы с плохой размерной стабильностью.

Помимо поведения при низких температурах, некоторые пластмассы просто слишком мягкие или гибкие, чтобы сохранять форму при обработке на станках с ЧПУ. Даже если они не плавятся чрезмерно, они деформируются под относительно небольшими нагрузками при зажиме или резке.

Мягкие полиолефиновые пены и вспененные пластмассы

Вспененные полимеры, такие как мягкий полиэтилен, некоторые вспененные полиолефины и гибкие пенопласты низкой плотности, содержат большую объемную долю газонаполненных ячеек. Эти материалы предназначены для амортизации и теплоизоляции, а не для высокоточной обработки. Типичные характеристики включают очень низкую плотность, низкую прочность на сжатие и высокую сжимаемость.

При попытке обработки на станках с ЧПУ возникают следующие проблемы:

• Сильное сжатие под действием силы зажима приводит к непредсказуемой толщине после снятия зажима.
• Неравномерность резки возникает из-за того, что инструмент чередует работу с твердым полимером и пустотами.
• Разрыв клеток и неровные края вместо гладких поверхностей.
• Трудности с поддержанием равномерной глубины или плоскости.

Вырубка, гидроабразивная резка и резка горячей проволокой (для некоторых видов пенопласта) обычно лучше подходят для этих материалов, чем традиционные методы. фрезерование или токарная обработка на станках с ЧПУ.

Сверхмягкие силиконовые эластомеры

Силиконовые каучуки, вулканизируемые при комнатной температуре (RTV), и очень мягкие силиконовые эластомеры, особенно те, которые имеют низкую твердость по Шору А или мягче (включая гелеобразные силиконы), демонстрируют почти гелеобразную реакцию под воздействием обрабатывающих инструментов. Из-за высокой эластичности и очень низкого модуля упругости они не образуют обычной стружки и не могут сохранять размерную целостность.

Практические проблемы включают в себя сильное отклонение под инструментами и приспособлениями, невозможность соблюдения допусков или получения острых геометрических форм, трудности при нарезании резьбы, а также деформацию поверхности и следы трения. Компоненты из мягкого силикона эффективнее изготавливать методом формования, литья в формы или штамповки тонких листов, чем методом обработки на станках с ЧПУ из цельных блоков.

Хрупкие, стекловидные и сильно наполненные пластмассы, склонные к растрескиванию.

На противоположном конце спектра находятся очень хрупкие или сильно армированные стекловолокном пластмассы, которые могут трескаться, скалываться или расслояться под воздействием напряжений, возникающих при обработке на станках с ЧПУ. Даже если они не плавятся, они могут разрушиться под воздействием инструмента, особенно в острых внутренних углах или тонких участках.

Полистирол (GPPS) и некоторые стирольные сополимеры

Полистирол общего назначения (GPPS) — это прозрачный, жесткий, но хрупкий термопластик. Он имеет относительно высокую температуру стеклования (около 90–100 °C), но его низкая ударная прочность и склонность к растрескиванию под напряжением делают его плохо подходящим для обработки на станках с ЧПУ.

К типичным явлениям механической обработки относятся хрупкое разрушение вдоль траектории движения инструмента, сколы кромок и микротрещины, растрескивание поверхности, а также высокий риск образования трещин при сверлении и нарезании резьбы. Из-за этих проблем для некритичных применений полистирол лучше формовать методом литья под давлением, вакуумной формовки (в виде листа) или резки с помощью высокоточных пил или лазеров, а не методом прецизионной обработки на станках с ЧПУ.

Высоконаполненные минералами или стекловолокнистые пластмассы

Стекловолокнистые армированные пластики (GFRP) и композиты с высоким содержанием минеральных наполнителей иногда можно обрабатывать с помощью специализированных инструментов и параметров, но некоторые составы практически непригодны для прецизионной обработки на станках с ЧПУ из цельного пластикового материала, особенно когда содержание армирующего материала очень высокое или сама матрица хрупкая.

Типичные проблемы включают в себя быстрый абразивный износ режущих инструментов, вырывание волокон и шероховатость поверхности, сколы кромок и микрорасслоение вдоль направления волокон, образование пыли и мелких частиц, требующее специальной очистки, а также анизотропное механическое поведение, вызывающее непредсказуемые напряжения и деформации. Для многих применений, связанных с армированием массивными материалами, предпочтительны специальные стратегии обработки и инструменты для композитов или процессы формования с получением формы, близкой к окончательной, по сравнению с универсальной обработкой на станках с ЧПУ твердых пластиковых стержней.

Пластмассы с очень низкой термостойкостью или узким технологическим диапазоном

При обработке на станках с ЧПУ в зоне резания генерируется тепло трения. Пластмассы с очень низкой термостойкостью или чрезвычайно узким температурным диапазоном между размягчением и термической деградацией подвержены риску деформации или возгорания во время обработки.

Некоторые биоразлагаемые пластмассы (определенные виды PLA, PHA, смеси крахмала)

Биоразлагаемые полимеры, такие как полимолочная кислота (PLA), некоторые полигидроксиалканоаты (PHA) и смеси на основе крахмала, значительно различаются по составу. Хотя некоторые марки PLA можно обрабатывать механически с осторожностью, многие биоразлагаемые полимеры обладают ограниченной термостойкостью и относительно низкими температурами размягчения.

К числу наблюдаемых проблем могут относиться локальное плавление и прилипание к инструментам, изменение цвета и деградация поверхности при перегреве, хрупкость, приводящая к сколам в тонких участках, и нестабильность размеров, если остаточные напряжения спадают во время обработки или последующей подготовки. Учитывая чувствительность этих материалов, литье с получением формы, близкой к окончательной, или аддитивное производство часто оказываются более эффективными, чем механическая обработка из цельной пластины или прутка.

Сополимеры и смеси со сверхнизкой температурой размягчения

Некоторые специальные сополимеры и смеси разработаны для обеспечения гибкости или технологичности при низких температурах. Хотя они полезны для пленок, литья под давлением или клеевых слоев, их низкие температуры размягчения и низкие температуры стеклования препятствуют точной обработке на станках с ЧПУ.

Возможные последствия включают сильное размазывание деталей при использовании мелких инструментов, деформацию тонких стенок и мелких ребер сразу после нагревания материала инструментом, а также образование ряби и волнистости на поверхности вместо гладких, четких контуров. Во многих случаях обработка этих пластмасс осуществляется с помощью рулонных процессов, термоформования или литья, а не механической обработки.

Пенопласты и ячеистые пластмассы: структурная слабость и проблемы качества поверхности.

Пенопласты и ячеистые пластмассы представляют собой уникальные проблемы для обработки на станках с ЧПУ из-за своей неоднородной микроструктуры. Плотность и прочность материала варьируются от точки к точке, а граница раздела между твердыми стенками ячеек и пустотами непоследовательно реагирует на силы резания.

Мягкий пенополиуретан и гибкие ячеистые материалы

Мягкие полиуретановые пены, гибкие микропористые эластомерные пены и аналогичные материалы обеспечивают амортизацию и звукопоглощение, но им не хватает структурной целостности, необходимой для точной обработки. В то время как жесткие полиуретановые моделирующие плиты специально разработаны для обработки, гибкие пены для этого не предназначены.

Ключевые проблемы включают разрыв клеточных стенок вместо контролируемой резки, крайне неровные профили кромок и шероховатость, значительное сжатие под действием силы инструмента и зажима, приводящее к непредсказуемым конечным размерам, а также невозможность сохранения острых внутренних углов или малых размеров элементов. Такие методы резки, как гидроабразивная резка, резка осциллирующим ножом или резка горячей проволокой (для соответствующих пенопластов), обеспечивают более стабильные результаты, чем фрезерование на станках с ЧПУ.

Вспененный полистирол (EPS) и некоторые виды теплоизоляционной пены низкой плотности.

Вспененные полистироловые (EPS) теплоизоляционные плиты и аналогичные пенополистироловые материалы состоят из сплавленных гранул, границы раздела которых механически слабы по сравнению с самими гранулами. Традиционные траектории обработки на станках с ЧПУ могут вызывать расслоение и разрушение гранул, особенно вблизи кромок и контуров.

Типичные особенности обработки включают в себя вырывание валика и образование кратеров, значительное количество пыли и мелких частиц, низкую точность размеров из-за сжатия материала под инструментом и сильно варьирующуюся чистоту поверхности. Специализированная резка горячей проволокой или фрезерование с малым усилием, разработанные специально для EPS, обычно предпочтительнее стандартных методов обработки на станках с ЧПУ.

Химически чувствительные пластмассы и совместимость с охлаждающими жидкостями

При обработке пластмасс на станках с ЧПУ часто используются охлаждающие жидкости.Для контроля температуры и удаления стружки используются смазочные материалы или сжатый воздух. Некоторые полимеры химически чувствительны и могут растрескиваться, трескаться или набухать при воздействии обычных охлаждающих жидкостей, что делает их непригодными или опасными для традиционных станков с ЧПУ.

Пластмассы, склонные к образованию трещин под напряжением, в присутствии охлаждающих жидкостей

Известно, что некоторые прозрачные аморфные пластмассы, такие как некоторые марки поликарбоната, акрил (ПММА) и стирольные полимеры, подвержены растрескиванию под воздействием окружающей среды при контакте с определенными химическими веществами. Если в процессе механической обработки возникают внутренние напряжения, и материал контактирует с несовместимой охлаждающей жидкостью или чистящим средством, может произойти отложенное растрескивание.

Хотя некоторые из этих материалов можно обрабатывать с очень точно контролируемыми параметрами и совместимыми охлаждающими жидкостями, определенные марки или составы могут оказаться непригодными для обработки на станках с ЧПУ в типичных производственных условиях, где используются стандартные химические составы охлаждающих жидкостей. В таких случаях для предотвращения отказов требуются альтернативные методы производства или строгие меры контроля за охлаждающей жидкостью.

Пластмассы набухают или размягчаются при контакте с маслами и смазочно-охлаждающими жидкостями.

Некоторые эластомерные или сильно пластифицированные материалы впитывают масла или определенные компоненты смазочно-охлаждающих жидкостей, что приводит к набуханию, размягчению или потере механических свойств. При механической обработке таких пластмасс контакт с обычными рабочими жидкостями может привести к повреждению деталей. точность размеров или механическая целостность после обработки.

В условиях, когда сухая обработка или охлаждение только воздухом невозможны, эти пластмассы непригодны для эксплуатации. CNC-обработка потому что требуемые технологические жидкости противоречат профилю химической стойкости материала.

Распространенные проблемы обработки неподходящих пластмасс

В различных категориях пластмасс, непригодных для обработки на станках с ЧПУ, можно наблюдать множество повторяющихся проблем. Распознавание этих проблем помогает выявить несоответствие материала и процесса.

Когда пластик лишь незначительно поддается механической обработке

Некоторые виды пластмасс находятся на грани допустимого: обработка на станках с ЧПУ технически не является невозможной, но накладывает ограничения, которые могут быть неприемлемы для многих применений. Эти пограничные случаи имеют общие характеристики:

• Приемлемые результаты достигаются только при работе с толстыми, простыми геометрическими формами и большими допусками.
• Необходимость очень низких скоростей резания, чрезвычайно острых инструментов и небольшой глубины резания.
• Невозможность надежно обрабатывать мелкие детали, тонкие стенки или нарезать тонкую резьбу.
• Высокий процент брака или доработки обусловлен изменчивостью качества поверхности и размеров.

Когда материал ведет себя подобным образом, зачастую эффективнее выбрать другой пластик с лучшими характеристиками обработки или использовать альтернативный производственный процесс для этого материала.

Альтернативные производственные процессы для необрабатываемых пластмасс

Если выбранный вид пластика не подходит для обработки на станках с ЧПУ, альтернативные процессы могут обеспечить стабильные и экономичные результаты, сохраняя при этом желаемые свойства материала, такие как гибкость, оптическая прозрачность или биоразлагаемость.

Литье под давлением и компрессионное литье

Многие мягкие, хрупкие или химически чувствительные пластмассы лучше всего формуются методом литья под давлением. Литье под давлением и компрессионное формование позволяют обрабатывать полимер в контролируемой термической и текучей среде, устраняя локальные механические и термические нагрузки, связанные с ЧПУ-резкой. Сложные геометрические формы, тонкие стенки и эластичные компоненты часто более надежно изготавливаются методом литья под давлением, чем механической обработкой.

Экструзия, термоформование и вырубка

Для пленок, листов, трубок и гибких профилей обычно используется экструзия с последующим термоформованием или вырубкой. Таким способом обычно обрабатываются такие материалы, как гибкий ПВХ, ТПЭ и некоторые специальные сополимеры. Термоформование позволяет придавать форму размягченным нагревом листам с помощью пресс-форм, а вырубка позволяет создавать двумерные формы из пенопласта и эластомерных листов без возникновения концентрированных напряжений, характерных для фрезерных инструментов.

Аддитивное производство для сложных или чувствительных материалов

Некоторые биоразлагаемые пластмассы и низкотемпературные полимеры доступны в виде нитей или порошков для аддитивного производства. Послойные процессы позволяют создавать сложные геометрические формы без высоких сил резания и нагрева в месте контакта инструмента, характерных для обработки на станках с ЧПУ. Для небольших партий и прототипов это часто предпочтительнее, чем попытка прецизионной обработки таких материалов из цельного материала.

Рекомендации по выбору материалов, позволяющие избежать использования неподходящих пластмасс.

Для минимизации проблем на ранних этапах выбора материалов следует учитывать не только функциональные характеристики в процессе эксплуатации, но и совместимость с обработкой на станках с ЧПУ. Ключевые рекомендации включают:

• Проверьте, поставляется ли пластик обычно в виде обрабатываемого материала (лист, плита, пруток), предназначенного для производства с использованием методов вычитания сырья.
• Изучите технические характеристики материала, касающиеся обработки: модуль упругости, температура деформации при нагреве, температура стеклования, твердость и рекомендуемые методы обработки.
• При изготовлении деталей для станков с ЧПУ с жесткими допусками следует избегать материалов с очень низким модулем упругости и высокой эластичностью.
• Следует проявлять осторожность при работе с сильно наполненными, хрупкими или вспененными материалами, когда требуется высокая точность деталей.

Если в техническом описании или документации поставщика основное внимание уделяется формованию, экструзии или литью и отсутствуют указания по механической обработке, то данный материал часто плохо подходит для обработки на станках с ЧПУ.

Часто задаваемые вопросы о пластмассах, не подходящих для обработки на станках с ЧПУ.